綜采工作面破碎頂板支護技術應用分析

郭小路

（山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司，山西 高平 048400）

綜采工作面在回采過程中采空區殘余應力向工作面煤體方向傳遞，加之地質構造應力破壞作用，導致工作面頂板懸臂梁產生破壞，出現頂板高度裂隙發育現象。裂隙帶向回采煤體前方延伸，當頂板無法承載應力作用時，頂板出現破碎現象。集中應力在頂板破碎裂隙帶進行應力釋放，對工作面煤壁產生剪切破壞作用，若支護不及時很容易發生頂板垮落事故。本文以野川煤礦3203工作面為例，對工作面回采期間頂板出現破碎現象原因進行合理分析，提出合理有效的破碎頂板聯合支護技術[1-5]。

1 概況

山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司3203工作面位于井田邊界西南部，工作面東鄰二采區膠帶巷，南邊為3205采空區，西邊為礦井邊界保安煤柱，北邊為3202膠帶順槽。3203工作面設計走向長度為996 m，傾向長度為127 m。工作面回采煤層為3#煤層，煤層位于山西組中下部，全區穩定可采，結構簡單，煤層平均厚度5.32 m，局部含夾矸，夾矸厚度約0～0.02 m。煤層內生裂隙發育，層狀構造，視密度為1.45 t/m3。煤層頂底板情況見表1。

表1 工作面3#煤層頂底板情況

3203工作面采用綜合機械化回采工藝，截至2020年4月27日工作面已回采460 m。工作面回采至300～460 m共計揭露六條正斷層，斷層平均落差為1.4 m，平均傾角為52°。其中，位于工作面445 m處揭露的F9斷層落差為2.1 m，對工作面回采影響最大。該斷層從3#支架揭露斜向工作面中部延伸，斷層影響工作面回采長度為55 m，影響傾向長度為32 m（3#～19#支架）。

工作面回采前5條斷層時頂板出現局部破碎，但未出現冒落現象，采用帶壓擦頂移架、超前移架等傳統拉架工藝即可對頂板進行維護。但是工作面在揭露F9斷層時，受超前集中應力影響，斷層處頂板及煤壁出現嚴重破碎現象。頂板破碎區位于5#～17#支架之間，局部出現冒落現象，煤壁片幫嚴重，片幫深度達1.6 m，導致液壓支架在過F9斷層區時，出現支架工作阻力不足、支架頂梁插頂等現象。

2 工作面回采頂板難以管理原因

（1）集中應力影響。由于工作面300～460 m段共計揭露6條斷層，斷層群破壞了該區段煤層及頂板巖體整體穩定性，導致煤巖體裂隙發育，工作面回采時斷層應力、回采超前應力作用于煤巖體原生裂隙，使裂隙煤巖體產生擴張破壞作用，改變了圍巖力學結構，從而導致工作面頂板破碎現象。

（2）圍巖穩定性差。3203工作面放頂煤回采工藝，放煤步距0.6 m，放煤高度2.75 m，采放比為1:1.06。工作面回采過程中頂板預留頂煤厚度為2.6 m，而3#煤層屬石炭系煤層，煤層整體穩定性差，煤體單軸抗壓強度不足20 MPa，頂煤承載能力低，在應力作用下很容易出現破碎現象。

（3）支護效果差。工作面回采至440 m處時5#、8#、9#、13#支架出現不接頂現象，當工作面回采至460 m處時工作面6#～14#支架出現不接頂現象。支架無法對工作面頂板提供足夠的支撐作用力，導致支架上方頂板支護強度低，頂板在短時間內產生蠕動變形現象，而支架無法對蠕動變形頂板及時進行控制，導致頂板破碎、冒落現象。

3 過斷層頂板聯合控制技術

為了保證3203工作面安全快速過F9斷層影響區，提高工作面頂板穩定性，防止煤壁片幫現象，決定對工作面頂板采取“注漿加固+撞楔超前支護+支架平鋪頂梁”聯合支護技術。

3.1 注漿加固技術

（1）首先在3#～19#支架前方煤壁施工一排注漿鉆孔，鉆孔深度為5.0 m，直徑為40 mm，仰角為45°，鉆孔間距為3.0 m。鉆孔施工位置與頂板間距為1.5 m，注漿鉆孔終孔位置應位于頂板往上0.5～1.0 m處，如圖1。

（2）注漿鉆孔施工完后，對鉆孔內填裝注漿軟管，軟管另一端與HJB-5.5/5.0型高壓雙液注漿泵連接，并進行注漿施工。注漿液采用水泥與水玻璃配比為1:0.8的混合漿液，注漿壓力為1.5 MPa。

（3）為了保證仰斜鉆孔注漿效果，注漿前應對鉆孔進行封孔處理。封孔材料采用快速凝固的膨脹水泥，封孔長度為0.5 m，單孔注漿量為30 kg，注漿時間為25 min，注漿后凝固時間為3.5 h。一般在檢修班進行注漿施工。

3.2 撞楔超前支護

為了防止集中應力對工作面頂板產生超前破壞作用，工作面回采過程中對頂板施工一排撞楔超前支護。

（1）撞楔超前支護鉆孔施工在工作面設計頂板位置，且垂直煤壁。支護孔直徑為45 mm，鉆孔深度為3.0 m，鉆孔施工后在豎直方向允許角度偏差為±3°，支護孔間距為1.3 m。

（2）超前支護孔施工完后，對支護孔內安裝長度為3.5 m、直徑為33 mm鋼針。鋼針安裝后在回采過程中支架前探梁仰挑3°～5°角度，保證支架頂梁與鋼針接觸嚴實。工作面回采后放頂前及時回收鋼針。

3.3 支架搭梁

為了防止液壓支架在冒漏區不接頂現象，決定在支架頂梁上方平鋪鋼梁，確保支架具有足夠的初撐力及工作阻力。

（1）工作面回采前對3#～19#支架頂梁上方平鋪三排工字鋼梁，鋼梁排距為1.5 m，每根鋼梁長度為3.5 m，相鄰兩排鋼梁交錯式布置。鋼梁鋪設完成后，工作面回采過程中升起支架立柱，保證鋼梁與頂板接觸嚴實。

（2）3203工作面在過F9斷層期間，采用帶壓擦頂移架，并控制采煤機割煤深度不得大于0.6 m。在過斷層期間為了及時對斷層處頂板進行有效支護，工作面割煤后3#～19#支架應超前移架支護頂板。

（3）由于工作面過斷層期間頂板受壓大，支架在壓力區支護時很容易出現支架前探梁受力過大，導致支架下傾、自動卸載等現象，所以支架支護到位后在機道處支設一排T型鋼棚。鋼棚頂梁長度為1.5 m，頂梁與煤壁垂直布置。

4 效果

對3203工作面斷層應力區頂板采取聯合控制技術后，有效控制了頂板破碎、煤壁片幫現象，加快了工作面回采，取得了顯著應用成效。

（1）通過對工作面煤壁及破碎頂板采取注漿加固，注漿液滲透在煤巖體裂隙內，對破碎煤巖體進行再次重組作用，使得煤巖體單軸抗壓強度提高至38.9 MPa，大大提高了煤巖體整體穩定性及承載能力，有效防止了煤壁片幫、頂板破碎現象。采取注漿措施后工作面在后期回采過程中煤壁片幫深度控制在0.5 m以下。

（2）工作面頂板采取撞楔超前支護后，實現了前方煤體超前支護，有效防止了因超前應力破壞作用導致工作面前方煤體出現超前破碎現象，降低了煤壁片幫、頂板破碎幾率。

（3）通過對工作面液壓支架采取搭梁技術措施，保證了支架初撐力及工作阻力，防止了工作面在過冒漏區時支架不接頂、支架支護效果差、頂板垮落事故。采取該措施后后期過斷層應力區時，支架初撐力及工作阻力提高至95%以上。